【正文】 與直流電機的 22 電樞電壓存在一定關系，只要調(diào)節(jié)點數(shù)電壓 U，就能改變轉(zhuǎn)速 n，此法稱為調(diào)壓調(diào)速法。通過相應的鍵值執(zhí)行其對應的代碼。 (3) 鍵值確定。當掃描到有鍵按下時，延時 10ms 再判斷該鍵是否仍是按下的，若不是，則將它當做誤操作處理。再讀取列值，如果讀取得到的列值是“ 0”，則說明所在行和列的交叉處的鍵被按下。 圖 鍵盤輸入模塊設計思想 21 行列式鍵盤編程要實現(xiàn)以下三個目標： (1) 鍵的正確判斷。 3． 4 行列式鍵盤輸入模塊 3． 4． 1 行列式鍵盤輸入模塊的 設計思想 單片機讀取行線和連線當前的電平高低，確認是否有按鍵按下，然后通過內(nèi)部運算確定鍵值，輸出鍵值，用于：改變電機運行狀態(tài)， 128? 64LCD 顯示相關參數(shù)，設定 PID 參數(shù)。 (8) 讀數(shù)據(jù) D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 下降沿 指令 D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 0 下降沿 顯示數(shù)據(jù) D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 1 1 顯示數(shù)據(jù) 20 該操作時將 128?64LCD 模塊中的 DDRAM 存儲器 對應單位中的內(nèi)容獨處，然后列地址計數(shù)器自動加 1。 DDRAM 共有 64 列， DB5 至 DB0 取不同的值得到 0至 3FH(1至 64)，即某一頁面上的 某一單元地址。 8 行為一頁， DDRAM 共 有 64行，即 8頁， DB2 至 DB0 表示 0至 7頁。 (5) 顯示起始行設置 D/I R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 0 1 1 顯示起始行 （ 0~63） 有上表可知， DB5 至 DB0 為顯示起始行的地址， 取值在 0至 3FH(1 至 64行 )之間 ，它所規(guī)定的是顯示器屏幕上顯示內(nèi)容的最頂一行所對應的顯示存儲器的行地址。 D/I R/W E DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 0 1 1 BUSY 0 ON／ OFF RST 0 0 0 0 19 (2) 寫指令 (3) 寫數(shù)據(jù) 將 8 位數(shù)據(jù)寫入已確定的顯示存儲器的單元內(nèi)。 3． 3 128?64LCD 顯示模塊 3． 3． 1 128?64LCD 顯示器的控制方法 在前面的章節(jié)已經(jīng)對 128?64LCD 顯示器的引腳分布以及引腳功能做了說明，下面我們來介紹下 128?64LCD 顯示器的控制方法。 再利用單片機的定時器，利用軟件定時產(chǎn)生 1秒的定時時間，在 1 秒定時時間到達時，所記錄的外部中斷發(fā)生中斷 的次數(shù)，便是電機的轉(zhuǎn)速 (r/s)。 如圖 圖 數(shù)字測速模塊設計思想 利用單片機的 外部中斷來記錄脈沖數(shù)。 增量式 PID算法公式為： ()un? [ ( ) ( 1 ) ] ( )piK e n e n K e n? ? ? 0[ ( ) 2 ( 1 ) ( 2) ]dK e n e n e n u? ? ? ? ? ? 數(shù)字增量式 PID程序的流程如圖 17 圖 數(shù)字增量式 PID程序流程圖 關于數(shù)字 PID 控制器的 C語言源代碼，見 附錄 1。 PID 算法也存在多種算法，如位置式 PID 算法、增量式 PID 算法等。 16 圖 微分（ D）和比例積分（ PD）控制階躍響應 上述 對 P、 I、 D控制各項的闡述可由表 可進行直觀的對比 增益常數(shù)（系數(shù)） 上升時間 過沖 建立時間 穩(wěn)態(tài)誤差 Kp 減少 增大 很小變化 減小 KI 減少 增大 增加 消除 KD 很小變化 減小 減少 很小變化 圖 積分（ I）和比例積分（ PI）控制階躍響應 3． 1． 2 數(shù)字 PID 算法的實現(xiàn) 在單片機 的應用中，可選用的控制方法其實很多，但最常用的還是數(shù)字 PID 算法。因為只在偏差剛出現(xiàn)時產(chǎn)生很大的控制作用，所以微分控制可以加快系統(tǒng)的響應速度，減少調(diào)整時間，從而達到提高系統(tǒng)快速性的作用，而且還有助于減小超調(diào)，克服震蕩，達到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，但是微分控制不能消除靜態(tài)偏差。 圖 積分（ I）和比例積分（ PI）控制階躍響應 微分控制的作用是根據(jù)偏差信號 ()et 當前的變化率 /de dt 來判斷隨后的偏差時 增大還是減少，以及增大或減少的幅度。 積分控制的輸出與偏差信號 ()et 存在的時段有關，只要時間足夠，積分控制將靜態(tài)偏差消除。 比例控制能夠減小偏差，但是不 能消除靜態(tài)偏差。系數(shù) pK 越大，控制左右也越強，系統(tǒng)的動態(tài)特性也越強，即表現(xiàn)為起動快，對階躍設定跟隨得快。 14 圖 PID控制器的原理框圖 PID 控制公式： 0 ()()( ) ( ) tp i e t d t d d e tdtu t K e t K K? ? ?? （ 1） 式（ 1）中： ()pKet 為比例項， pK 為比例放大系數(shù)；0 ()ti e t dtK?為積分項， iK 為積分放大系數(shù)； ()d detdtK為微分項 ， dK 為微分放大系數(shù) 。當采樣周期相當短時， 通過求和代替積分，以及查分代替微分，使 PID 算法離散化，將描述連續(xù) 時間 PID 算法的微分方程，轉(zhuǎn)化成描述離散 時間 PID算法的差分方程。我們采用的 PID 控制器是通過計算機基于 PID 控制算法通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)的。在原來開環(huán)形的驅(qū)動器的基礎上，加 上速度閉環(huán)，這樣就形成了直流電機的速度閉環(huán)控制系統(tǒng)。 圖 行列式鍵盤輸入 模塊 電路圖 3 調(diào)速系統(tǒng)數(shù)字部分的設計與原理 3． 1 PID 控制器 3． 1． 1 PID 控制的原理與方法 對于一個控制系統(tǒng)，通常要求其具有快速性、穩(wěn)定性的品質(zhì)和性能指標， 本課題為了提高調(diào)速系統(tǒng)對直流電機在速度運行 的 上述要求，將 采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)來對本直流電機調(diào)速進行優(yōu)化，并采用數(shù)字 PID 控制器來實現(xiàn)電機的無靜差運行。而行列式恰好滿足了本課題的要求，所以采用方法二。 將上訴兩種方法進行比較 ，本課題要求完成電機的加速、減速、啟動、停止、正反轉(zhuǎn)控制，以及對 P、 I、 D三項參數(shù)的設定，所以所需的按鍵較多。以對行線和列線進行掃描的方法來確認鍵值。 方法二：行列式鍵盤。每個鍵占用一個 I/O 口。所以 按鍵輸入模塊是本系統(tǒng)的人機界面部分至關重要的一部分。 20 K 背光電源（ ） 714 DB0DB7 數(shù)據(jù)線 有些型號的模塊 1 20 腳為空腳 表 128? 64LCD液晶顯示器模塊引腳功能 12 2． 4． 2 顯示模塊 電路設計 本調(diào)速系 統(tǒng)的 顯示模塊 電路設計如圖 。針對本課題的要求，對于所需顯示的信息量，在顯示模塊選擇了 128?64LCD 液晶顯 示器 ，它主要是由行驅(qū)動器、列驅(qū)動器以及 128? 64圈點陣液晶顯示器組成，既能進行 漢字顯示 (16?16)以及圖形顯示。液晶顯示器 LCD 因其功耗小、體積小等特點，且符合本課題要求，所以予以采用。其分為點陣型與字符型兩種，點陣型液晶可顯示圖形和文字，字符型液晶只能顯示字符。其顯示接口電路分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 是由發(fā)光二極管作為發(fā)光單位制作而成。 (a) (b) 10 圖 光電編碼器原理圖 2． 3． 2 電機轉(zhuǎn)速采集電路設計 圖 測速模塊電路圖 2． 4 顯示模塊設計 2． 4． 1 顯示模塊的原理與方法 為了使調(diào)速系統(tǒng)能讓人更直觀地觀察到電機在調(diào)速期間的運行狀況，所以，顯示模塊是不可缺少的。再通過計算一個周期內(nèi)光電編碼器輸出 的脈沖數(shù)，從而得到當前電機的轉(zhuǎn)速 如圖 (b)所示 。光柵盤是在一個一定直徑的圓板上等分地裁剪出若干個長方形孔 如圖 (a)所示。因此，本課題將采用方法三 —— 光電編碼器來作為電機轉(zhuǎn)速采集模塊的傳感器。 將上訴三種方法進行比較，由于高性能的霍爾元件較難購置，且成本較高，所以不采用方法一。這是一種通過 光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。將測速發(fā)電機與直流電機的轉(zhuǎn)軸相連，當直流電機運轉(zhuǎn)時，帶動測速發(fā)電機一起轉(zhuǎn)動，此時測速發(fā)電機會產(chǎn)生大小取決于電機轉(zhuǎn)速的感應電動勢。因此，我們只要把磁片安裝在電機上，并將霍爾集成片安裝在固定軸上，這樣便可以 將電機的速度以脈沖的形式檢測出來。 目前在速度采集技術(shù)上主要有以下三種方法： 方法一：霍爾集成片。 電機的在轉(zhuǎn)速上的調(diào)節(jié)由單片機產(chǎn)生不同占空比的 PWM 信號來實現(xiàn)。當 IN1 端與 IN2 端都為低電平時，驅(qū)動橋路上的 4個晶體管均處于截止狀態(tài)，這樣使正在運行的電機的電樞電流 反向 ，電機便自由停止。 圖 L298驅(qū)動電路 表 L298輸入輸出關系表 根據(jù)上表 可得， 當使能控制端 ENA 為高電平時， 將 PWM 控制 信號 送至輸入端 IN1與 IN2， 便可以控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。其引腳圖如下圖所示， 1腳 和 15腳可單獨引出 連接電流采用電阻器 ，形成 電流傳號。它的內(nèi)部包含兩個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標準 TTL 邏輯電平信號，可以驅(qū)動 46V、 2A 以下 的電機。 7 2． 2． 2 驅(qū)動電路 的專用芯片選用及設計 為了使驅(qū)動電路更加穩(wěn)定可靠，并且減少布線，決定采用專用芯片來驅(qū)動直流電機工作。 當 Q2 與 Q3導通時，如圖 圖 電機逆時針運行 電流從從電源正極流出后，從 Q3 由右向左流過電機，再從 Q2流出回來電源的負極。 當 Q1 與 Q4導通時，如圖， 圖 電機順時針運行 電流從從電源正極流出后，從 Q1 由左向右流過電機，再從 Q4流出回來電源的負極。 圖 H橋驅(qū)動電路 6 由圖可知， H橋驅(qū)動電路由 4個三極管與 電機組成，其形狀與字母 H相似，所以被稱為“ H橋驅(qū)動電路”。 本調(diào)速系統(tǒng)的總體外圍電路設計圖見附圖一。 單片機在電機控制系統(tǒng)中實現(xiàn)的主要功能有：邏輯控制功能，運算、調(diào)節(jié)和控制功能、自動保護功能、故障檢測和實時診斷功能。 在單片機控制的電機系統(tǒng)中，單片機的輸入信號 一般是：用作頻率或轉(zhuǎn)速設定的運行指令，用作閉環(huán)控制和過電壓、過電流保護的電機系統(tǒng)電流、電壓反饋量，用于轉(zhuǎn)速、位置閉環(huán)控制的電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角信號，用作缺相或瞬時 停電保護的交流電源電壓 信號等。目前。 20世紀 80年代中、后期，已經(jīng)有 全數(shù)字控制的交流調(diào)速系統(tǒng)，并應用在工業(yè)中。 圖 MCS51單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 MCS51單片機都采用 40腳雙列直插式封裝， 40個引腳中有： 2個專用于主電源， 2個外接晶振， 4 跳控制或與其他電源復用的引腳， 32 個 I/O 引腳。 圖 MCS51單片機的結(jié)構(gòu)框圖 MCS51系列單片機為哈佛結(jié)構(gòu)，就是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，相互獨立。 我國目前廣泛使用的 MCS51 系列單片機，性價比較好， 803 87 8051 都屬于 51系列。 1． 2 系統(tǒng)總體設計框圖 圖 3 2 調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路的設計與原理 2． 1 基于 單片機 的電機控制 設計 2． 1． 1 單片機 簡介 單片機是指 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器以及基本輸入 /輸出（ I/O）借口電 路等部件集成在一塊芯片上，這樣組成的芯片及微型計算機，稱之為單片微型計算機（ Single Chip Microputer） ，簡稱為單片微機或單片機。采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，以軟件方式實現(xiàn)數(shù)字 PID，系統(tǒng)可以實現(xiàn)可逆調(diào)速，應具備必要的人機界面可對電機轉(zhuǎn)速進行設置，并可以手動調(diào)整控制器的 PID參數(shù)，具備堵轉(zhuǎn)保護等必要的保護手段。 本調(diào)速系統(tǒng)設計到的控制算法與指令均通過 C語言編輯完成。同時利用光電編碼器將電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成脈沖信號反饋到單片機中，形成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以達到轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。數(shù)字 PID控制技術(shù)不但能完成模擬 PID的控制任務，而且控制算法靈活、可靠性高，所以應用面越來越廣。但其缺點是一旦參數(shù)整定完畢后，在整個控制過程中將無法改變，然而在實際應用中，由于現(xiàn)場的系 統(tǒng)參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等客觀條件都會發(fā)生變化，這樣就是的控制系統(tǒng)難易達到最佳的控制效果。 在運動控制系統(tǒng)中，電機的轉(zhuǎn)速控制是一個至關重要的領域。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了多種 PWM控制技術(shù)。 隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及微電子技術(shù)的發(fā)展以及各種新的控制理論 方法的提出，如現(xiàn)代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想等。 PWM 控制的基本思想很早就已被提出，但受制于電力電子器件的發(fā)展水平，在上世紀80 年代之前一直未能得到實現(xiàn)。 隨著單片機性能的日益提高與完善，與此同時，電子電力器件及驅(qū)動技 術(shù)也更加成熟，在前者的基礎上，伴隨著 PWM 控制技術(shù)及電